TW202121485A - 應用於射頻驅動等離子體以提高鞘層形成、演化與脈衝間穩定的方法及裝置 - Google Patents

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Abstract

射頻產生器係配置以產生射頻訊號。射頻訊號透過具有一種或多種狀態的脈衝調變。在脈衝啟動的初始狀態期間，射頻產生器透過選擇射頻訊號的頻率來調整阻抗匹配。在脈衝的第二狀態期間，射頻產生器使用匹配網路調整阻抗匹配。第一狀態包含控制射頻產生器以輸出功率突發，且第二狀態包含控制產生器以輸出操作功率。

Description

應用於射頻驅動等離子體以提高鞘層形成、演化與脈衝間穩定的方法及裝置
相關申請案之交互參照
本申請案主張於2019年8月13日提交的美國臨時申請案第62/886,279號的效益。上述申請案的全部揭露內容於此併入全文作為參考。
本揭露係關於射頻(radio frequency，RF)產生器系統及射頻產生器的控制。
提供於此的先前技術描述是為了總體上呈現本案的背景。目前命名為發明人的工作成果，不論其係在此先前技術部分或說明書其他部分中進行敘述，有可能並非本案申請時的習知技術，此等描述既非明示亦非暗示申請人已自承其為構成能據以核駁本案的先前技術。
電漿製程(plasma fabrication)常用於半導體製造。在電漿製程的蝕刻中，離子由電場(electric field)加速，以從基板的表面蝕刻材料或將材料沉積至基板的表面上。在一個基本的實施方式中，電場是基於由功率遞送系統的相應的射頻(Radio Frequency，RF)或直流(Direct Current，DC)產生器所產生的射頻或直流功率訊號而產生。由產生器所產生的射頻功率訊號必須要受到精確控制，以有效地執行電漿蝕刻。
本發明係提供一種射頻產生器，其包含產生輸出訊號的射頻功率源，輸出訊號係包含由脈衝調變的射頻訊號，脈衝根據要遞送至負載的功率而變化。射頻產生器係包含配置以控制脈衝以包含複數個狀態的控制器。在第一狀態下，控制器係配置以控制射頻產生器以第一功率值輸出射頻訊號，且將射頻訊號的頻率控制為第一頻率，以改變射頻產生器與負載之間的阻抗。在第二狀態下，控制器係配置以在四種模式中的至少一種下操作：在第一模式下，控制器係控制射頻產生器以第二功率值輸出射頻訊號且控制射頻訊號的頻率，而不考慮射頻產生器與負載之間的阻抗，其中第一功率值係為突發功率，第二功率值係為工作功率。在第二模式下，控制器係控制射頻產生器以第二功率值輸出射頻訊號且控制射頻訊號的頻率，以改變射頻產生器與負載之間的阻抗，其中第一功率值係為突發功率，第二功率值係為工作功率。在第三模式下，控制器係控制射頻產生器以第二功率值輸出射頻訊號且控制射頻訊號的頻率，而不考慮射頻產生器與負載之間的阻抗，其中第一功率值係超過第二功率值。在第四模式下，控制器係控制射頻產生器以第二功率值輸出射頻訊號且控制射頻訊號的頻率，以改變射頻產生器與負載之間的阻抗，其中第一功率值係超過第二功率值。
本發明係提供一種射頻產生器系統，其包含產生輸出訊號的射頻功率源，輸出訊號包含由脈衝調變的射頻訊號，射頻訊號根據要遞送至負載的功率而變化，其中脈衝包含複數個狀態。控制器係配置以控制該射頻產生器。在包含複數個頻格的第一狀態下，控制器係配置以(a)控制射頻產生器在複數個頻格中的每一個內輸出複數個頻率，且控制器配置以控制射頻產生器以至少一第一功率值輸出射頻訊號。在第二狀態下，控制器係進一步配置以在模式(a)中控制射頻產生器以第二功率值輸出射頻訊號。
控制器係配置以控制由射頻功率源輸出的脈衝。射頻功率源係產生輸出訊號，輸出訊號包含由脈衝調變的射頻訊號，脈衝根據要遞送至負載的功率而變化。在第一狀態下，控制器係配置以控制射頻產生器以第一功率值輸出射頻訊號，且將射頻訊號的頻率控制為第一頻率，以改變射頻產生器與負載之間的阻抗。在第二狀態下，控制器係在模式(a)中進一步配置以控制射頻產生器以第二功率值輸出射頻訊號，且控制射頻訊號的頻率，而不考慮射頻產生器與負載之間的阻抗，其中第一功率值係為突發功率，第二功率值係為工作功率。
本發明係提供一種控制功率遞送至負載的方法，其包含控制射頻產生器以產生由脈衝調變的射頻輸出訊號，以改變遞送至負載的功率。此方法係包含在第一狀態下，控制射頻產生器以第一頻率的第一功率值輸出射頻訊號，以改變射頻產生器與負載之間的阻抗。此方法係包含在第二狀態下，在模式(a)中控制以第二功率值輸出射頻訊號，且控制射頻訊號的頻率，而不考慮射頻產生器與負載之間的阻抗，其中第一功率值係為突發功率，第二功率值係為工作功率。
本揭露之適用性(applicability)的進一步領域將於詳細描述、申請專利範圍以及所附圖式中變得顯而易見。詳細描述及具體實例僅旨在用於說明之目的，並不旨在限制本發明的範圍。
功率系統可包含直流或射頻功率產生器、匹配網路及負載(諸如具有固定或可變阻抗的處理容室、電漿容室或反應器)。功率產生器產生直流或射頻功率訊號，並由匹配網路或阻抗最佳化控制器或電路接收。匹配網路或阻抗最佳化控制器或電路將匹配網路的輸入阻抗(input impedance)匹配於功率產生器與匹配網路之間的傳送線路的特性阻抗(characteristic impedance)。此阻抗匹配有助於最大化傳遞到匹配網路的功率(正向功率(forward power))，且最小化從匹配網路反射回功率產生器的功率(反向功率(reverse power))。當匹配網路的輸入阻抗匹配於傳送線路及產生器的特性阻抗，正向功率可最大化以及反向功率可最小化。
在功率源或功率供應電場(supply field)中，通常有兩種方式來施加功率訊號到負載。第一種較為傳統的方式是將連續功率訊號(continuous power signal)施加於負載。在連續模式或連續波模式下，連續功率訊號通常係為恆定直流或正弦射頻功率訊號，其由功率源連續輸出至負載。在連續模式的方法中，功率訊號係採用恆定直流或正弦輸出，且可改變功率訊號的振幅及/或(射頻功率訊號的)頻率，以改變施加至負載的輸出功率。
第二種方式是將功率訊號施加至負載，此方法涉及使射頻訊號產生脈衝，而不是對負載施加連續射頻訊號。在操作脈衝模式中，射頻訊號由調變訊號(modulation signal)調變，以界定調變之功率訊號的包絡(envelope)。射頻訊號可為例如正弦射頻訊號或其它時變訊號(time varying signal)。遞送至負載的功率通常係藉由改變調變訊號來改變。
在典型的電源供應器的配置中，使用感測器來決定施加至負載的輸出功率，而感測器是測量施加至負載的射頻訊號的正向及反射功率或電壓及電流。在控制迴路(control loop)中分析這些訊號的任一組。此分析可決定用於調整電源供應器輸出的功率數值，以便改變施加至負載的功率。在負載為處理容室或其它非線性或時變負載的功率遞送系統中，由於施加的功率部分係為負載阻抗的函數，負載的變化阻抗會導致施加至負載的功率發生對應的變化。
在各種裝置的製造仰賴於引入功率至負載以控制製程的系統中，功率係通常以兩種配置之一來輸送。在第一種配置中，功率係電容性地耦合至負載中。這樣的系統稱為電容耦合電漿系統(capacitively coupled plasma (CCP) systems)。在第二配置中，功率係電感性地耦合至負載中。這樣的系統通常稱為電感耦合電漿系統(inductively coupled plasma (ICP) systems)。與電漿耦合的功率還可經由微波頻率下的波耦合來實現。這樣的方法係通常使用電子迴旋共振(Electron Cyclotron Resonance，ECR)或微波源。螺線錐源(Helicon sources)係為波耦合源的另一種形式，且通常以相似於習知ICP及CCP系統的射頻頻率工作。功率遞送系統可包含施加至負載的一個或複數個電極的至少一個偏置功率及/或源功率。源功率通常會產生電漿並控制電漿密度，且偏置功率會調變鞘層中形成的離子。根據各種設計考量，偏置(bias)及源(source)可共用相同的電極或可使用不同的電極。
當功率遞送系統驅動諸如處理容室或電漿容室的時變或非線性負載時，整體電漿及電漿鞘層吸收的功率會導致一定範圍的離子能量的離子聚集(density)。離子能量的一個特徵測量是離子能量分佈函數(ion energy distribution function，IEDF)。離子能量分佈函數可透過偏置功率進行控制。藉由改變與振幅、頻率及相位相關的多個射頻訊號，來產生控制將多個射頻功率訊號施加至負載上的系統的離子能量分佈函數的一種方法。複數個射頻功率訊號的相對振幅、頻率及相位也可透過傅立葉級數(Fourier series)及相關係數進行關聯。多個射頻功率訊號之間的頻率可被鎖定，且多個射頻訊號之間的相對相位也可被鎖定。這樣的系統的實例可參照美國專利公告第7,602,127號、美國專利公告第8,110,991號、美國專利公告第8,395,322號，上述之專利申請案皆轉讓至本案的受讓人，並引入作為本文的參考。
時變或非線性負載會存在於各種應用中。在一種應用中，電漿處理系統還可包含用於電漿體產生及控制的部件。這樣的部件係為實現為諸如電漿容室或反應器之類的處理容室的非線性負載。在電漿處理系統中使用的典型電漿容室或反應器，諸如用於薄膜製程(thin-film manufacturing)，可使用雙功率系統(dual power system)。一個功率產生器(源)控制電漿的產生，且功率產生器(偏置)控制離子能量。雙功率系統的實例包含在上面參照之美國專利公告第7,602,127號、美國專利公告第8,110,991號以及美國專利公告第8,395,322號中提及之系統。上述專利中描述的雙功率系統需要閉迴路控制系統(closed-loop control system)以調整電源供應器操作，來控制離子密度及其對應之離子能量分佈函數。
存在多種用於控制處理容室的方法，諸如可用於產生電漿的方法。例如，在射頻功率遞送系統中，以相同或幾乎相同的頻率操作的多個驅動射頻訊號的相位及頻率可用於控制電漿的產生。對於射頻驅動電漿源(RF driven plasma sources)，影響電漿鞘層動態(plasma sheath dynamics)及對應之離子能量的週期波形一般是已知的，並受週期波形的頻率及相關的相位相互作用控制。射頻功率遞送系統中的另一種方法涉及雙頻控制。亦即，兩個在不同頻率工作的射頻頻率源(RF frequency sources)被用於為電漿容室供電，以提供離子及電子密度實質上的獨立控制。
另一種方式利用寬帶(wideband)射頻功率源來驅動電漿容室。寬帶方法帶來一定的挑戰。第一個挑戰是將功率耦合到電極。第二個挑戰是產生之波形到所期望之離子能量分佈函數之實際鞘層電壓(actual sheath voltage)的轉移函數(transfer function)必須針對寬處理空間(wide-process space)來制定，以支撐材料的表面交互作用。又另一種方式中，在電感耦合電漿系統(inductively coupled plasma system)中，施加在源電極(source electrode)上的控制功率(controlling power)控制電漿密度，同時控制施加至偏置電極的功率調變離子以控制離子能量分佈函數，以提供蝕刻速率的控制。藉由使用源電極及偏置電極的控制，蝕刻速率可經由離子密度及能量進行控制。
隨著積體電路及裝置製造的不斷發展，對控制製造過程的功率要求也在不斷提高。例如，隨著儲存裝置的製造，對偏置功率的要求不斷增加。功率增加會產生更高的高能離子，從而加快表面的相互作用，進而提高離子的蝕刻速率及方向性。在射頻系統中，偏置功率增加有時伴隨著較低的偏置頻率要求，同時增加耦合至電漿容室中創建的電漿鞘層的功率源數量。在較低的偏置頻率下的功率增加及偏置功率源的數量增加會導致從鞘層調變產生交互調變失真(intermodulation distortion，IMD)。交互調變失真的產生可顯著降低發生電漿產生的源所傳遞的功率。美國專利申請第13/834,786號，於2013年3月15日提交，標題為「Pulse Synchronization by Monitoring Power in Another Frequency Band」，轉讓至本案的受讓人，並引入作為本文的參考，其描述了一種透過監測另一頻段中的功率來實現脈衝同步的方法。在參考的美國專利申請案中，第二射頻產生器的脈衝係根據在第二射頻產生器處檢測到第一射頻產生器的脈衝來控制的，從而使兩個射頻產生器之間的脈衝同步。
圖1係繪示射頻產生器或電源供應系統10。電源供應系統10係包含一對射頻(RF)產生器或電源供應器12a、12b、匹配網路18a、18b及負載32，諸如非線性負載，可為電漿容室、處理容室等。在各種實施例中，源射頻產生器12a被稱為源射頻產生器或電源供應器，且匹配網路18a被稱為源匹配網路。同樣在各種實施例中，射頻產生器12b被稱為偏置射頻產生器或電源供應器，且匹配網路18b被稱為偏置匹配網路。將可理解的是，各部件可單獨或共同使用參考符號，而不使用字母下標或角分符號(prime symbol)。
在各種實施例中，源射頻產生器12a從匹配網路18b、產生器12b接收控制訊號30，或從偏置射頻產生器12b接收控制訊號30'。如將更詳細地解釋，控制訊號30或30'代表電源供應器12a的輸入訊號，其表示偏置射頻產生器12b的一個或多個工作特性或參數。在各種實施例中，同步偵測器34感測從匹配網路18b輸出到負載32的射頻訊號，並將同步或觸發訊號30輸出到電源供應器12a。在各種實施例中，可從電源12b向電源供應器12a輸出同步或觸發訊號30’，而非觸發訊號30。觸發或同步訊號30、30'之間的差異係來自匹配網路18b的影響，其可改變輸入訊號到匹配網路18b與輸出訊號之間的相位。訊號30、30'包含關於偏置射頻產生器12b的工作訊息，此訊息在各種實施例中能做出預測響應以解決由偏置產生器12b造成的電漿容室32的阻抗的週期性波動。當控制訊號30或30'不存在時，射頻產生器12a、12b可自主工作。
射頻產生器12a、12b包含相應的射頻功率源或放大器14a、14b、射頻感測器16a、16b及處理器、控制器或控制模組20a、20b。射頻功率源14a、14b產生輸出到各個感測器16a、16b的相應的射頻功率訊號22a、22b。感測器16a、16b接收射頻功率源14a、14b的輸出，並產生相應的射頻功率訊號
Figure 02_image001
及
Figure 02_image003
。感測器16a、16b還輸出根據從負載32感測到的各種參數而變化的訊號。雖然在相應的射頻產生器12a、12b中示出了感測器16a、16b，射頻產生器16a、16b可位於射頻功率產生器12a、12b的外部。這樣的外部感測會發生在射頻產生器的輸出處，或位於射頻產生器與負載之間的阻抗匹配裝置的輸入處，或位於阻抗匹配裝置(包含阻抗匹配裝置的內部)與負載的輸出之間。
感測器16a、16b檢測負載32的工作參數並輸出訊號X及Y，感測器16a、16b可包含電壓、電流及/或方向耦合感測器。感測器16a、16b可檢測(i)電壓V及電流I及/或(ii)從相應的功率放大器14a、14b及/或射頻產生器12a、12b及12f的正向功率
Figure 02_image005
輸出，以及從相應的匹配網路18a、18b或連接至相應的感測器16a、16b的負載32接收的反向或反射功率
Figure 02_image007
。電壓V、電流I、正向功率
Figure 02_image005
及反向功率
Figure 02_image007
可以是與相應的功率源14a及14b相關的縮放及/或過濾的實際電壓、電流、正向功率及反向功率的版本。感測器16a、16b可以是類比及/或數位感測器。在數位實施方式中，感測器16a、16b可包含具有對應取樣率的類比轉數位(A/D)轉換器及訊號取樣部件。訊號X及Y可表示電壓V及電流I或正向(或源)功率
Figure 02_image005
及反向(或反射)功率
Figure 02_image007
的任一個。
感測器16a、16b產生由相應的控制器或功率控制模組20a、20b接收的感測器訊號X、Y。功率控制模組20a、20b係處理相應的X、Y訊號24a、26a及24b、26b，且產生一個或複數個反饋控制訊號28a、28b到相應的功率源14a、14b。功率源14a、14b基於接收到的反饋控制訊號來調整射頻功率訊號22a、22b。在各種實施例中，功率控制模組20a、20b可經由相應的控制訊號21a、21b分別控制匹配網路18a、18b。功率控制模組20a、20b可至少包含比例積分微分(proportional integral derivative，PID)控制器或其子集(subsets)及/或直接數位合成(direct digital synthesis，DDS)部件及/或如下所述之與模組相關的各種任何的部件。
在各種實施例中，功率控制模組20a、20b是比例積分微分(proportional-integral-derivative, PID)控制器或其子集，且可包含功能、處理、處理器或子模組(submodules)。反饋控制訊號28a、28b可為驅動訊號，且可包含直流偏移(DC offset)或導軌電壓(rail voltage)、電壓或電流振幅(current magnitude)、頻率及相位。在各種實施例中，反饋控制訊號28a、28b可用作為一個或多個控制迴路的輸入。在各種實施例中，多個控制迴路可包含用於射頻驅動及用於導軌電壓的比例積分微分控制迴路。在各種實施例中，反饋控制訊號28a、28b可在多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output ，MIMO)控制方案中使用。多輸入多輸出控制方案的一個例子可參考2020年1月28日公告的美國專利第10,546,724號，標題為「Pulsed Bidirectional Radio Frequency Source/Load」的專利申請案，上述之專利申請案轉讓至本發明的受讓人，並引入作為本申請的參考。
在各種實施例中，電源供應系統10可包含控制器20'。控制器20'可設置於射頻產生器12a、12b中的一個或兩個的外部，且可被稱為外部或共用控制器20'。在各種實施例中，控制器20'可實現關於控制器20a、20b中的一個或兩個的本文中描述的一個或複數個功能、過程或演算法。因此，控制器20'經由一對相應的鏈結36、38相應的射頻產生器12a、12b通訊，使得能夠在控制器20'與射頻產生器12a、12b之間適當地進行數據及控制訊號的交換。對於各種實施例，控制器20a、20b、20'可與射頻產生器12a、12b一起分佈式、協作式地提供分析及控制。在各種其它實施例中，控制器20'可提供對射頻產生器12a、12b的控制，省去了相應的局部控制器20a、20b。
在各種實施例中，射頻功率源14a、感測器16a、控制器20a及匹配網路18a可稱為源射頻功率源14a、源感測器16a、源控制器20a及源匹配網路18a。同樣地，在各種實施例中，射頻功率源14b、感測器16b、控制器20b及匹配網路18b可稱為偏置射頻功率源14b、偏置感測器16b、偏置控制器20b及偏置匹配網路18b。在各種實施例中，如上所述，用語「源」係指產生電漿的射頻產生器，以及用語「偏置」係指調諧電漿離子能量分佈函數的射頻產生器。在各種實施例中，源及偏置射頻電源供應器是在不同的頻率下操作。在各種實施例中，源射頻電源供應器的操作頻率高於偏置射頻電源供應器。在各種其它實施例中，源及偏置射頻電源供應器以相同的頻率或實質上相同的頻率工作。
圖2係繪示描述遞送至諸如圖1的負載32的負載的功率的操作脈衝模式的電壓對時間的繪圖。在圖2中，射頻訊號40係由脈衝42調變。如脈衝42的週期或區域44所示，當脈衝42為ON時，射頻產生器12輸出射頻訊號40。相反地，在脈衝42的週期或區域46中，脈衝42為OFF，射頻產生器12a不輸出射頻訊號40。脈衝訊號42可以恆定的工作週期(duty cycle)或可變的工作週期重複。此外，脈衝訊號42不必如圖2所示實施為方波。此外，脈衝42可具有振幅及持續時間變化的多個ON及OFF區域。多個區域可在固定或可變週期內重複。
圖3係繪示脈衝射頻訊號施加至圖1諸如處理容室或電漿容室的負載32的應用的示例性波形。在圖3中，脈衝50係為具有ON週期或區域51及OFF週期或區域53的方波。圖3還表示正向(forward)及反射(reflected)電壓，其中波形52表示正向電壓，且波形54表示反向(reversed)電壓。從圖3中可看出，在脈衝51的開始處，反射電壓54很高，大約等於正向電壓52，這表示很少有或沒有功率到達負載32。在脈衝波形50的ON區域51的後半部分，反向電壓54相對於正向電壓顯著減少。這表示由產生器輸出的大部分的功率都傳遞至負載。從圖3中可看出，反向電壓54在脈衝波形50的ON區域51中佔據了相當大的一部分，大約50%，其表示僅在脈衝波形50的ON區域51的後半部分期間將功率遞送至負載。
圖4係繪示反射功率或反向功率60及正向功率58的功率對時間的繪圖。圖4還繪示輸出功率62的波形，其通常被界定為正向功率58與反向功率60之間的差。圖4係表示圖3的脈衝的大約前50％的時間段。反向功率60在64處隨著時間達到峰值並減小至零，大約在位置66處開始減小。當反向功率60減小至零時，正向功率58也隨之減小，使得輸出功率62實質上等於正向功率58。圖4係為具有相當大的延遲的緩慢形成的鞘層的示例性圖示。
圖5及圖6係繪示相應的史密斯圖，以及當電漿鞘層從浮動鞘層向穩態射頻供電鞘層演變時功率與時間的繪圖。匹配網路被調諧至脈衝的穩定部分，且鞘層的演變係透過在脈衝的初始時期移動的軌跡及在50歐姆阻抗處或附近結束來繪示的。圖5是基於對在射頻產生器的輸出處測量的電性參數的檢測的史密斯圖。在圖5中，軌跡最初從史密斯圖的外部附近的位置70開始，且阻抗從位置70前進至位置72，其表示從史密斯圖的外部附近開始逐漸轉換為50歐姆阻抗的過程。因此，圖6係繪示從位置70到表示50歐姆的阻抗的位置72的轉換過程。
如圖6所示，在從位置70到72的轉換中，正向功率波形74在脈衝啟動70之後不久在位置77達到峰值，且反向功率波形76係表示在位置75處的峰值，但功率小於正向功率的峰值77。波形78係表示輸出功率迅速增加至實質上恆定的數值的位置80處或附近。圖6係為具有最小延遲的快速形成的鞘層的示例性圖示。
一種改善遞送至諸如負載32的負載的功率的方法，涉及在脈衝啟動時以突發功率(burst power)處施加功率突發(power burst)。當施加功率突發時，在脈衝啟動時，射頻產生器12的射頻功率源14在相對短的時間內增加了射頻功率的振幅，以加速電漿中的鞘層形成。在功率突發之後，射頻產生器的振幅返回至工作或操作位準，以平衡脈衝的ON區域。成功的突發可從各種態樣量測。在一個態樣中，在30µs至40µs之內的鞘層形成可被認為是成功的突發。
圖7係繪示圖8中的脈衝、正向電壓以及反向電壓及功率隨時間的波形。在圖7中，波形90表示脈衝，波形92表示正向電壓，且波形94表示反向電壓。從圖7可看出，反向電壓94在脈衝開始時較高，相似於圖3的反向電壓54，然而如圖8所示，與圖4相比，輸出功率100在功率突發內開始迅速增加。關於脈衝啟動，反向電壓94比圖3的反向電壓54下降得更快，然而如圖8所示，與圖4相比，輸出功率100在功率突發內開始迅速增加。關於脈衝啟動，反向電壓94比圖3的反向電壓54減小的更快。因此，圖7係表示當施加功率突發時，反向電壓94在比圖3更短的期間內減小增加，從而允許在較短的時間內的鞘層形成。
圖8係繪示關於時間的功率。如圖8所示，雖然正向功率96及反向功率98在功率突發102之後相對較快達到峰值，但與圖4相比，反向功率98相對較快地減小，從而導致輸出功率100相對較快地增加。透過圖3及圖4與圖7及圖8之間的非限制性比較，藉由在功率突發期間增加功率約25％，輸出功率達到的數值可使鞘層形成的速度比不施加功率突發時快約一個數量級(order of magnitude)。
雖然施加功率突發可顯著減少鞘層形成的時間，但在突發期間的功率增加會對圖1的射頻產生器12形成考驗(prove stressful)。施加功率突發的突發模式的一個好處是，可將諸如匹配網路18的匹配網路配置為在突發後不久提供最佳匹配，從而節省時間以實現匹配網路18的較佳解決方案。然而，每個功率突發都會導致施加額外的功率，且額外的功率會產生額外的熱量，從而對射頻產生器12造成潛在的進一步應力(stress)。此外，由於圖7及圖8繪示的功率突發使用了匹配網路18中通常可用的自動調整匹配功能，因匹配網路18沒有被調諧為在脈衝開始的功率突發期間提供50歐姆的匹配，導致產生器的進一步應力。因此，在功率突發期間，由於調諧匹配網路來不及提供最佳的匹配而需產生較高的功率以提供較高的突發功率，射頻產生器12將承受額外的應力。然而，有些裝置製造商要求射頻產生器在史密斯圖周圍的所有相位或位置中工作，如圖5所示，而施加突發可使其在史密斯圖的較大部分附近進行操作。
圖9係繪示相對於施加至負載32的訊號的位置(即，相位)所施加的功率的示例性史密斯圖。可看出，在史密斯圖110中，史密斯圖上的位置對應於阻抗，阻抗部分地決定施加至負載的功率。儘管圖9中未示出功率的大小，但史密斯圖110上的每個標繪點皆對應於施加至負載的功率。然而，所屬技術領域中具有通常知識者將能理解，標繪點的各個區域可表示施加至負載大約的功率。因此，對於各種射頻產生器，史密斯圖110的區域可表示用於將最大功率傳輸至負載的最佳操作區域。在各種實施方式中，可選擇控制參數，使得射頻產生器在最佳區域中操作且避免次最佳區域。
圖10係繪示相似於圖2的脈衝射頻系統的脈衝波形120。圖2的RF波形40已從圖10中省略，然而所屬技術領域中具有通常知識者將能理解，圖10係表示諸如圖1的功率遞送系統10的射頻產生器系統的脈衝實現方式中的脈衝。脈衝波形120的ON週期或區域122、122'係表示為劃分為包含功率突發及基於頻率的阻抗控制的第一區段或狀態124，以及包含匹配網路阻抗控制區段或狀態的突發後區段或狀態126。脈衝波形120還包含一個OFF週期或區域123。
脈衝波形120的ON區域122'係表示兩個阻抗控制子區段或子狀態124a'、124b'。區段或狀態124、126可指在脈衝波形120的ON區域上基於時間的射頻產生器12及匹配網路18的操作或控制。在每個狀態期間，可實現射頻產生器12及匹配網路18的各種控制模式。因此，脈衝波形120的ON區域122、122'表示至少兩個狀態，其可對應於功率遞送系統10中的功率遞送及阻抗匹配的至少兩種模式。第一模式係包含在施加功率突發時，在狀態124期間發生的基於頻率的阻抗控制。第二模式係包含在狀態126期間發生的阻抗匹配網路阻抗控制，且藉由功率遞送系統10的匹配網路18來實現。匹配網路18的匹配網路阻抗控制調諧元件係被調整以提供阻抗匹配。
在各種實施例中，基於頻率的阻抗匹配或狀態124中的調諧可實現為自動頻率調諧(automatic frequency tuning，AFT)或動態頻率調諧(dynamic frequency tuning，DFT)。AFT/DFT通常可描述為在預定的頻率範圍內操作以控制阻抗匹配。自動頻率調諧及動態頻率調諧的實例可參照美國專利公告第8,576,13號、美國專利公告第9,041,471號，上述之專利申請案皆轉讓至本案的受讓人，並引入作為本文的參考。在各種實施例中，AFT/DFT可提供足夠的阻抗控制，從而使遞送至負載的功率滿足功率要求，且不需要突發功率。
在各種實施例中，相較於如在AFT或DFT中的在預定頻率範圍內改變頻率，可使用選擇的操作頻率來控制阻抗，以實現基於頻率的阻抗匹配或調諧。在各種其它實施例中，基於頻率的阻抗匹配或調諧可透過選擇頻率軌跡來實現，其中從起始頻率到結束頻率的轉換係利用一個或多個預定中介頻率(intermediate frequencies)來使轉換期間的阻抗匹配最佳化。在狀態124之後，可在狀態126中使基於頻率的調諧失能，且阻抗匹配係透過使用習知匹配網路技術的匹配網路18來執行。這樣的技術係包含習知的匹配網路技術，其中調整一個或複數個可變電抗元件以改變射頻產生器12的輸出處的阻抗。
在各種實施例中，且僅作為實例，圖1的射頻產生器12中的一個或兩個的射頻頻率可為13.56MHz或其倍數。在各種其它實施例中，源射頻產生器可以13.56MHz或其倍數操作，且偏置射頻產生器可以13.56MHz或其倍數的大約2％或在其內操作。
在各種實施例中，脈衝120可具有大約100Hz的頻率。當脈衝120約為100Hz時，狀態124可約為30μs，然而可有所變化。狀態124的持續時間可根據各種設計考慮來調整。在各種其它實施例中，狀態124不需要執行AFT或DFT頻率調諧來實現匹配。在各種實施例中，脈衝120的狀態124可表示選定的射頻頻率，其不同於射頻產生器12在ON區域122的相當的一段期間操作的頻率。透過非限制性實例，假設在各種實施例中射頻產生器12以13.56MHz操作，在啟動期間中，在狀態124中由射頻產生器12輸出的頻率可由控制系統自動選擇。控制系統可藉由使用頻率回復模式來選擇頻率，其中根據在相似的先前條件下使用的頻率來設定頻率，或可將頻率預設為使用者的選定頻率。決定最佳啟動頻率的一種方法係包含以表示脈衝啟動條件的低或最低的可能功率進行掃頻(frequency sweep)，並記錄導致最低反射功率的頻率。此外，在各種實施例中，在有或沒有功率突發的情況下，可實現在脈衝120的狀態124上的基於頻率的阻抗調諧。亦即，可在與功率突發一致的狀態124中施加頻率調諧，其中藉由在諸如30µs的預定時間內增加射頻訊號的振幅來增加射頻產生器的功率輸出。在其它實施例中，基於頻率的阻抗調諧可在不施加功率突發的情況下實現。
圖11及12係繪示圖11中的電壓駐波比(voltage standing wave ratio，VSWR)的繪圖及圖12中的史密斯圖。在圖11中，VSWR係表示為頻率函數。波形130在位置132處係以約13.78MHz的頻率達到最小值。在圖12中，曲線136係繪示相位相對於頻率的變化，其從位置138開始到達位置140的原點，並沿著軌跡移動至位置142。因此，在從大約12.8 MHz到14.238 MHz的掃頻中，頻率變化會改變阻抗，且頻率變化既是VSWR的致動器，如圖11所示，也是相位的致動器，如圖12所示。因此，圖11及圖12表示在圖10的狀態124期間進行頻率調諧可改善射頻產生器12與負載32之間的阻抗匹配。
圖13及圖14係表示當在整個脈衝上利用習知的匹配網路阻抗控制時的實例結果的波形，諸如圖10的ON區域122，如圖13所示。圖14係繪示諸如在圖10的狀態124中，在突發功率及基於頻率的阻抗控制模式下的組合功率突發，隨後是諸如在圖10的狀態126中的網路阻抗匹配控制模式。在狀態126期間，不考慮阻抗來選擇頻率，且在各種實施例中，根據與負載相關聯的製程要求來選擇頻率。對於各圖式，除了在多個狀態下實現阻抗匹配的變化模式之外，各系統實質上是相似的。
在圖13中，波形150係繪示正向功率，且波形152係繪示反射功率。波形154係繪示電壓，且波形156係繪示電流。在各種實施例中，在諸如圖1的射頻產生器12的射頻產生器的輸出處測量正向功率波形150及反向功率波形152，且在諸如圖1的負載32的負載處測量電壓波形154及電流波形156。
如圖13所示，當僅使用諸如圖1的匹配網路18的匹配網路實現阻抗匹配時，反向功率152大約等於正向功率150，直到大約位置160處的反向功率152減小到實質上小於位置162處的正向功率150為止。圖13還表示施加至負載32上的電壓154及電流156是在位置160處開始衰減反向功率152之前的數值的大約一半。在位置162之後，電壓154及電流156增加至位置162之前的電壓及電流的大約兩倍。在圖14中，在沒有功率突發的脈衝161'的開始處，利用阻抗匹配的AF/DFT阻抗調諧模式。應當注意的是，圖13中提及之元件符號在圖14中相似地提及，但增加了一個角分指標(prime indicator)。
在圖14中，在位置161'處的脈衝啟動之後，反向功率152'在位置160'處開始減小且在大約位置162'處達到最小值。在位置160'與162'之間，可看出除了反向功率152'減小之外，電壓154'及電流156'相似於圖13一樣增加，其中電壓154'及電流156'增加及與至少兩倍於位置160'之前的數值。此外，應注意位置161與162之間的時間。在圖14中，在位置161'與位置162'之間的脈衝啟動之間的時間係表示比在圖13的位置161與162之間的時間實質上還短的時間。此外，還可看出反向功率152'不僅更快地衰減，且在更短的時間內衰減，如相對於位置160'與162'之間的較短時間段所見。另一方面，在圖13中，位置160與位置162之間存在較大的時間段。
進一步關於圖13及圖14，可實現自動調諧匹配網路的方法，諸如藉由圖1的匹配網路18。在自動調諧匹配網路的方法中，匹配網路18在檢測到射頻訊號時，而非檢測到脈衝，啟動阻抗匹配控制。射頻訊號在脈衝啟動時出現。在檢測到射頻訊號後，匹配網路18係透過調整電抗元件來啟動阻抗匹配，諸如電容及電感，在匹配網路8中調整阻抗以改善射頻產生器12與匹配網路18的輸出處的傳送線路之間的匹配。不再檢測到脈衝之後，匹配網路18保持在其當前位置，預計下一個脈衝將需要相似的匹配配置。因此，在脈衝的ON週期結束後，沒有檢測到射頻訊號，匹配網路18保留在其當前位置，預期下一個檢測到的射頻訊號將導致調整到大約當前位置，從而預設匹配網路18以用於射頻訊號的下一次檢測。各種實施例使用相對於檢測射頻ON或脈衝ON的數個時間延遲中的一個來界定匹配網路18應當調諧的脈衝區域。在各種實施例中，匹配網路18在突發之後的某個時間，以及射頻訊號或脈衝轉為OFF或改變狀態之前的某個時間進行調諧。
儘管這種方法在沒有發生突發的圖13中可能有用，當射頻產生器12輸出諸如在狀態124中的功率突發時，其中射頻產生器12在脈衝啟動時輸出更大的功率，匹配網路18的調諧部件不在最佳位置以適應突發中增加的功率。在功率突發期間檢測到較高振幅的射頻訊號後，匹配網路無法在典型的功率突發間隔內做出響應，且功率突發被屏蔽，因此匹配網路不會檢測到功率突發。由於匹配網路18在功率突發期間不做出反應，而是調諧到脈衝ON時間的穩態，諸如在狀態126，在通電呈ON後，產生器會發現明顯的阻抗失配。匹配網路18需要時間來調整，且調整時間導致在調整期間小於最佳阻抗匹配。雖然突發確實提供了額外的功率，但也為匹配網路18的操作增加了複雜性。使用基於頻率的調諧來進行阻抗匹配，緩解了匹配網路18在功率突發期間必須調整的問題，且有利於功率突發後的阻抗匹配。
圖15係繪示沿橫軸的電纜長度及沿縱軸的功率設定點的穩定性圖。圖15的穩定性圖係繪示兩個區域，其為在第一交叉陰影線中表示的穩定區域，以及在第二交叉陰影線中表示的不穩定區域。根據反向功率大於或小於或等於脈衝的預定百分比來決定穩定性。亦即，當反向功率小於或等於脈衝的預定百分比時，鞘層是穩定的。相反地，當反向功率大於脈衝的預定百分比時，鞘層會是不穩定的。也可使用其它諸如反射係數或SWR的度量標準來產生相似的穩定性圖。
在各種配置中，電纜長度可用於表示系統穩定性的量測。例如，方框176係表示跨多個功率設定點的七根電纜長度上的系統穩定性，其中反射功率小於或等於脈衝的預定百分比。在方框176的外部，對於每種特定的電纜長度，在一種或多種功率設定下，每種電纜長度表現出的反射功率係大於脈衝的預定百分比。此外，在方框176內，不僅在電纜長度上存在穩定性，且在多種功率下在多個電纜長度上也存在穩定性。方框176內的電纜長度可適應多個功率設定點。在方框176內，相應的三個及四個電纜長度可在多種電纜長度下形成鞘層。因此，多態阻抗匹配的其中一個優點是，包含第一狀態及第二狀態，在第一狀態中，射頻產生器以允許阻抗匹配的頻率輸出突發功率，在第二狀態中，發生阻抗匹配的匹配網路模式，提供了具有如圖15所示的屬性的穩定性圖。相較於習知的基於匹配網路的阻抗匹配，這樣的阻抗匹配是有所改善的。期望有一個廣闊穩定的操作窗口，以確保單元與單元之間的微小變化不會將操作轉移至一個不穩定的區域。
圖16至圖25係參考射頻產生器12中的任一個，描述在圖1的功率遞送系統10中對多個狀態的多模式阻抗控制的操作。圖16係繪示諸如圖1的射頻產生器12的射頻產生器的輸出波形。圖16係繪示兩個視圖，其包含第一時間標度的上圖180a以及表示帶括號部分184a的展開圖的第二視圖182a。下圖182a係表示帶括號部分184a的20倍展開圖。在圖16中，波形186a表示正向功率，波形188a表示反向功率，且波形190a表示在圖1的匹配網路18a或18b的輸出處測得的電壓。
將能理解，如上所述，遞送至負載的輸出功率係由諸如正向功率186a及反向功率188a的正向功率之間的差表示的量。儘管在圖16中未示出輸送功率，但電壓190a根據輸出功率而變化，輸出功率又根據正向電壓186a及反向電壓188a之間的差而變化。由於被電壓190a覆蓋，在整個視圖182a中未示出正向功率波形186a。然而，正向功率186a係與電壓190a成比例地變化，其中電壓190a的增加與正向功率186a的增加及/或反向功率188a的減少是一致的。
圖16係表示藉由脈衝射頻訊號來操作射頻產生器12的一組基線測量。在圖16的控制配置中，經由匹配網路18控制阻抗匹配，從而在圖16中不發生基於頻率的阻抗匹配。圖17係繪示相似於圖16但在與圖16不同的操作條件下的波形。按照慣例，圖16的波形後面是後綴「a」。從圖16到圖23中，每個圖式的相似波形將使用相同的元件符號以及不同的字母後綴。例如，視圖180a係指圖16的上圖，視圖180b係指圖17的上圖；以及例如，波形168a係指圖16中的正向功率，波形186b係指圖17中的正向功率。
圖17係繪示系統的操作，其中基於頻率的阻抗調諧包含處於諸如狀態124的第一狀態的第一模式。在諸如狀態126的第二狀態中，負載處的功率被調整為典型的操作功率，且阻抗的匹配網路控制包含第二模式。在各種實施例中，在狀態126期間，在不考慮阻抗的情況下選擇頻率，且可根據與負載相關聯的製程要求來選擇頻率。從圖17可看出，電壓190b以與圖16大致相同的時間及速率增加。這表示其它控制參數正在限制產生器的輸出功率。
圖18係繪示使用圖17的第一狀態的模式控制並進一步實現伽瑪遮沒技術的射頻產生器12a的操作。伽瑪(Gamma，Γ)係表示功率遞送系統10的射頻產生器12的反射係數。在伽瑪遮沒技術中，射頻產生器12在預定時間區間(interval)操作，在此時間區間施加增加的功率而不參考產生器的反射係數。在射頻產生器12對功率的典型應用中，史密斯圖的反射係數係被用來決定相對於相位的阻抗，且被用來限制功率。對於一預定時間區間，一般是整個脈衝寬度的一小部分，功率以功率突發的形式加入，且在控制功率時不考慮反射係數。當伽瑪遮沒時，射頻產生器以擬開環(seudo-open loop)方式工作，以在功率突發期間傳遞請求的輸出功率，而與阻抗匹配無關。擬開環係指射頻產生器仍在閉環中工作的操作，換言之，其仍在使用來自其感測器的數據來實現所需的功率設定點，但任何會限制正向功率的限制都被忽略。這本質上允許射頻產生器產生等效的正向功率位準，就如同在真正的開環模式下工作。但是，由於阻抗匹配，射頻產生器輸出的功率無法到達負載。因此，遞送至負載的功率受脈衝的限制，如圖2及10所示。然而，在功率突發期間，圖2及圖10的脈衝可不界定射頻產生器的輸出的邊界，但仍可界定輸送至負載的功率的邊界。由於阻抗不匹配，射頻產生器的輸出實質上高於遞送至負載的功率。作為非限制性實例，遮沒可在1000μs脈衝的大約50μs中發生。由於下述進一步說明的其它因素，圖18係產生與圖17相似的結果。
圖19係繪示根據圖17操作的射頻產生器12的操作的波形，且還包含基於射頻產生器12的先前操作的前饋控制。射頻產生器12部分地係根據產生器在先前脈衝期間的操作來控制的。在PID回復中，若射頻產生器12被設定為使用來自先前狀態的參數及設定再次操作，則回復先前狀態的參數及設定。這樣的方法可被稱為比例積分微分(proportional integral derivative，PID)回復。這樣的PID回復控制的實例可參照美國專利案號8,952,765、美國專利案號10,049,857、美國專利案號10,217,609，上述之專利申請案轉讓至本揭露的受讓人，並引入作為本申請的參考。
從圖19中可看出，電壓190d在相對於脈衝啟動的較短時間內增加，從而減少完全形成電漿鞘層的時間。因此，在諸如狀態124的第一狀態下，基於頻率調諧的阻抗控制及前饋控制的組合，相對於脈衝啟動進一步改善了形成鞘層的時間。儘管在本文中，將前饋方法描述為PID回復控制，但各種前饋或反饋控制機制可加速鞘層的形成，且在本文中同樣適用。
圖20係繪示根據圖19操作的射頻產生器12的操作的波形，且還包含如圖18所述的伽瑪遮沒。因此，突發功率、基於頻率的阻抗調諧、PID回復及伽瑪遮沒的組合進一步提高了相對於脈衝啟動的鞘層形成時間。圖20係提供改善的鞘層形成時間，但還是導致了鞘層的部分塌陷，諸如電壓190e中的下垂(sag)所示。
圖21係繪示描述射頻產生器12的操作的波形，其中在第一狀態下，射頻產生器12在啟動時施加功率突發並在短時間內以第一頻率工作，以在第一狀態上提供基於頻率的阻抗調諧。在跟隨第一初始狀態的第二狀態中，射頻產生器12以第二頻率操作以在第二狀態中提供基於頻率的阻抗調諧。圖10的子狀態124a'及124b'提供了相應的第一狀態及第二狀態的實例。接著，利用匹配網路18，控制轉換到基於匹配網路的阻抗調諧，例如在圖10的狀態126'。如在圖21中所見，在啟動期間，在脈衝啟動之後不久，電漿鞘層即建立起來。在其它實施例中，可針對狀態124a'及124b'啟用基於頻率的阻抗調諧，諸如DFT。這種方法平滑了狀態之間的轉換，以維持與負載的功率耦合。狀態124b’期間的頻率可以是固定的。各種其它方法可在狀態124b’的頻率提升(frequency ramp)上施加可變功率(variable power)。這使得控制系統能夠在短時間內將功率設定點及頻率從狀態124a'值改變到所需的狀態124b'值。因此，使用功率突發及基於頻率的阻抗調諧來調整狀態124a'、124b'，使得如波形190f所示，在較短的時間段中形成鞘層。
圖22及圖23係繪示描述施加功率突發的射頻產生器的操作的波形，且在脈衝啟動時以射頻訊號的第一啟動頻率操作，在此期間，採用基於頻率的阻抗調諧(狀態124a')，接著施加功率突發並以第二頻率工作，在此期間，採用基於頻率的阻抗調諧(狀態124b')。PID回復係與伽瑪遮沒一起施加。此外，當頻率從狀態1的第一頻率更改為狀態2的第二頻率時，功率會因此下降。圖22及23的區別在於，圖22係繪示射頻產生器12在較低功率設定點下的操作，且圖23係表示射頻產生器12在較高功率設定點下的操作，其中較高設定點是較低設定點的大約50倍。因此，在圖22及圖23中的每一個中，脈衝啟動時的功率突發及第一啟動頻率(狀態1)以及功率突發後的第二啟動頻率(狀態2)的組合，在每個狀態中利用基於頻率的阻抗調諧，結合PID回復控制、伽瑪遮沒及功率提升提供最小延遲的鞘層形成。在各種其它方法中，相較於從第一頻率到第二頻率的突然變化，狀態1及狀態2不需要固定每個狀態的頻率，而是可使頻率從狀態1逐漸提升(ramp)為狀態2。
圖24及圖25係分別對應於圖22及23，且是基於在負載或電漿容室檢測到的參數，從脈衝打擊或脈衝啟動到脈衝穩態的阻抗的各自軌跡的史密斯圖。從史密斯圖中可看出，軌跡是相似的，並趨向於由史密斯圖所示之電漿容室阻抗，其分別由圓圈200g及200h表示。因此，從圖24及25可看出，在圖23及24中施加的控制係提供相似的軌跡，而不論功率設定點如何。
圖26係表示控制模組210。控制模組210結合了圖1的各種部件。控制模組210可包含功率產生控制模組部分212、阻抗匹配模組部分214以及功率調諧模組部分216。功率產生模組部分212係包含脈衝控制模組218、射頻頻率控制模組220以及射頻振幅模組222。阻抗匹配模組部分214係包含頻率調諧模組224及匹配網路模組226。功率調諧模組部分216係包含PID回復模組230、伽瑪遮沒模組232以及功率提升模組234。在各種實施例中，控制模組170係包含一個或複數個處理器，其執行與模組部分或模組210、212、214、216、218、220、222、224、226、230、232及234相關的程式碼。下述關於圖26的方法係描述模組部分或模組210、212、214、216、218、220、222、224、226、230、232及234的操作。
關於圖1的控制器20a、20b及20'進一步定義的結構，請參閱下述提供的圖27的流程圖，以及下述提供的用語「模組」的定義。可使用許多方法、實例以及在圖26中示出的各種控制系統方法來操作本文揭露的系統。雖然針對圖1的實施方式來主要描述以下操作，但可容易地變更此操作以應用於本揭露的其它實施方式。此操作可迭代地執行(iteratively performed)。雖然以下操作被顯示並主要描述為依序執行，可執行一個或多個以下操作，同時執行一個或多個其它操作。
圖27係表示用於執行例如圖1的功率功率遞送的基於狀態/模式的阻抗控制的控制系統240的流程圖。控制從方塊242開始，此處發生初始化。控制進行到方塊244，在此處，諸如13.56MHz的訊號的射頻訊號被啟動。控制進行到方塊246，其中產生脈衝以調變在方塊244處啟動的射頻訊號。如在方塊246中可看出，脈衝的產生可包含幾個參數，如上述在圖1至圖25中所述。同樣如方塊244所示，可將脈衝分為複數個狀態，其中可為每個狀態設定複數個參數。參數包含但不限於射頻頻率、射頻振幅/功率、阻抗控制的頻率調諧參數、匹配網路阻抗控制的阻抗匹配網路參數、PID回復、伽瑪遮沒及功率提升。接著，控制進行到方塊248，在此處決定是否應該啟動另一個脈衝。若是，則控制回到方塊246。若否，則控制進行到方塊250，在此處控制終止。
圖28係繪示諸如圖10的脈衝波形120的122或122′的脈衝的ON週期或區域的展開圖，其被稱為脈衝區域128。如以上關於圖10所述，波形120係具有ON區域122、122'及OFF區域123。脈衝波形120的ON區域122係包含第一區段或狀態124及第二區段或狀態126。如圖10中所述，脈衝122′係具有第一子區段或子狀態124a′、第二子區段或子狀態124b′以及第三子區段或子狀態126′。子狀態124a'、124b'係表示狀態124的子區段或子狀態。子狀態124a'、124b'可用於描述不同的操作模式，這些模式可包含射頻產生器的各種輸出參數，其包含但不限於射頻頻率、射頻振幅、相位及本文所述之其它參數。
在各種實施例中，子狀態124a'、124b'可表示第一子狀態124a'，其中射頻產生器以選定頻率輸出功率突發，以及第二子狀態124b'，其中射頻產生器以第一子狀態124a'與狀態126之間的轉換模式工作。在各種實施例中，狀態126可進一步界定射頻產生器的操作模式。在子狀態124b’中，射頻產生器可輸出與狀態124a’相同或不同的功率突發及頻率。在各種實施例中，狀態126可表示由狀態124界定的操作突發模式之後的穩定狀態。因此，狀態126可表示在狀態124處發生的操作突發模式之後的操作模式的穩定狀態。在各種其它實施例中，狀態126可包含各種細分，諸如子狀態126a'及子狀態126b'。子狀態126a'可與在子狀態126b'的操作突發模式124與操作穩定或工作模式之間的操作轉換模式一致。在各種其它實施例中，子狀態126a'及子狀態126b'可被組合成由狀態126表示的單個狀態。同樣地，子狀態124a'及子狀態124b'可被組合以界定單個區段或狀態124。
子狀態124a’及子狀態124b’可進一步被細分為多個頻格bx ，其中x通常表示多個頻格中的任何頻格。如圖28所示，子狀態124a’被細分為多個頻格，諸如頻格ba1 、ba2 、、、ban 。相似地，子狀態124b’可被細分為多個頻格bb1 、bb2 、、、bbn 。在各種實施例中，頻格的寬度及數量皆可有所變化，從而子狀態124a’內的每個頻格的寬度可為相同的寬度或變化的寬度。同樣地，子狀態124b’的頻格的寬度及數量可為相同的寬度或不同的寬度。此外，包含子狀態124a'的頻格數量及包含子狀態124b'的頻格數量可有所變化，且脈衝之間的任何狀態或子狀態的頻格數量可有所變化。此外，子狀態126a'及子狀態126b'可被細分為如上關於124a'、124b'、124所述的頻格。
在各種實施例中，頻格bx 、子狀態124a’、124b’或狀態124中的任何一個或其中一個可界定各種操作模式，其中可改變各種射頻系統控制參數。這樣的參數可包含射頻產生器輸出的射頻訊號的頻率、振幅及相位，諸如圖1的射頻產生器12、匹配網路控制參數及其它控制參數。在各種實施例中，可選擇頻格的寬度，從而頻格的最小寬度對應於射頻產生器的最大控制環路速率。由於同一脈衝內頻格內的更新頻率會受到控制環路速率的限制，頻格內輸出的一個或多個頻率可在脈衝之間進行更新。因此，在各種實施例中，頻格內的頻率控制是前饋控制，且頻格內的前饋值係基於對應頻格的一個或多個先前脈衝進行的測量而更新的。
與每個狀態相關聯的操作模式可界定例如由射頻產生器12輸出的射頻訊號的頻率。因此，每個頻格bx 可界定由射頻產生器12輸出的射頻訊號的特定頻率或多個頻率。可選擇界定的頻率以改變射頻產生器12與負載32之間的阻抗匹配，以控制輸送至負載的功率。例如，當狀態124a界定了射頻產生器12輸出功率突發的模式時，每個頻格ba1 、ba2 、、、ban 皆可分配一個特定的頻率，選擇以調節射頻產生器12與負載32之間的阻抗匹配，以控制輸送至負載32的功率。此外，在各種實施例中，狀態124或子狀態124a'、124b'可界定匹配網路的操作模式，諸如匹配網路18。作為非限制性實例，在狀態124期間，如上所述，期望可禁止匹配網路18的操作，同時控制射頻產生器，以與每個頻格ba1 、ba2 、、、ban 相關聯的模式所界定的選定頻率輸出選定功率。
在各種操作模式中，在狀態124b’期間，由射頻產生器12輸出的射頻頻率可相似地區分為頻格bb1 、bb2 、、、bbn 。如關於子狀態124a′所述，在狀態124b′期間，特定的操作模式可相似地禁止匹配網路18的操作。此外，如上所述，狀態124a'、124b'可被組合以界定一個單一狀態124。在單一狀態124下，狀態124可被細分為頻格bx ，且可控制上述電性參數，以改變射頻產生器12與負載32之間的阻抗匹配，以改善傳遞至負載32的功率遞送。同樣如上所述，在狀態124期間，可禁止匹配網路18的操作，從而阻抗匹配實質上根據射頻產生器12輸出的射頻訊號的頻率而變化。
參照下述之表1及表2，表1及表2係表示操作狀態與模式之間的關係。表1係列出配置的系統，使得圖28的脈衝128包含狀態124，在此期間，射頻生器以選定頻率及工作狀態126輸出功率突發，其中射頻產生器輸出工作功率及較大或標稱頻率(nominal frequency)。表1係進一步列出一個系統，其中狀態124、126不會經由子狀態124'或126'進一步細分，且因此狀態124被區分為頻格bb1 、bb2 、、、bbn 。如表1所示，在狀態124期間，射頻產生器輸出功率突發，且在狀態124的連續頻格上，頻率在頻率f1 、f2 、、、fx 、、、fn 上變化。表1及表2中的頻率fx 可表示狀態或頻格內的一個或複數個頻率。表1還表示模式的控制致動器可包含頻率、功率及匹配網路阻抗控制。在各種實施例中，功率或功率值PB 可在狀態124上的每個頻格之間變化，或可在頻格之間保持恆定。表1及表2中的功率值PB 可表示狀態或頻格內的一個或複數個功率值。在狀態124中，將匹配網路失能，諸如藉由伽瑪遮沒，從而透過選擇每個相應頻格中的頻率來進行阻抗匹配。
表2係表示射頻控制的狀態及模式，其中狀態124被細分為子狀態124a'、124b'，其又進一步被細分為相應的頻格，如表2所示。在表2中，射頻產生器12輸出的頻率可根據操作模式而變化。例如，在子狀態124a'期間，頻率隨頻格的不同而變化，而功率在PB 保持恆定，或突發功率。表2還表示子狀態126a被配置為轉換狀態，其中轉換頻率ft 及轉變功率Pt 由射頻產生器12輸出。如上所述，突發功率PB 可在每個頻格之間以及每個狀態之間變化。
狀態 模式
名稱 狀態 頻格 頻率 功率 匹配網路
突發 124 b1 f1 PB OFF
突發 124 b2 f2 PB OFF
突發 124 ● ● ● fx PB OFF
突發 124 bn fn PB OFF
工作 126 fc PW ON
表1
狀態 模式
名稱 狀態 子狀態 頻格 頻率 功率 匹配網路
突發 124 124a' ba1 fa1 PB OFF
突發 124 124a' ba2 fa2 PB OFF
突發 124 124a' ● ● ● fax PB OFF
突發 124 124a' ban fan PB OFF
突發 124 124b' bb1 fb1 PB OFF
突發 124 124b' bb2 fb2 PB OFF
突發 124 124b' ● ● ● fbx PB OFF
突發 124 124b' bbn fbn PB OFF
轉換 126 126a ft PT ON
工作 126 126b fc PW ON
表2
在各種實施例中，可對應地命名每個狀態，且可在特定狀態、子狀態或頻格中改變與每個模式對應的每個參數，從而可在每個狀態上施加不同的頻率、功率及匹配網路控制模式。在各種實施例中，基於頻率的阻抗控制及基於匹配網路的阻抗控制皆可在各種脈衝狀態下啟動。在這樣的實現中，基於頻率的阻抗控制係實現以在分配的脈衝狀態的短時間內穩定到標稱值(nominal value)。然後，將預期的調諧時間，加上一些緩衝時間，用作為匹配網路的OFF週期。這樣的配置使得匹配網路18一旦被啟動，就能感測穩定的頻率，因此減輕在頻率穩定時匹配網路進行搜尋的需求。在各種實施例中，匹配網路18還結合了頻率追蹤功能。
在各種實施例中，可測量負載阻抗的反應以調諧分配給每個頻格或狀態的頻率，從而可調諧給定頻格的選定射頻頻率，以進一步將阻抗變化最小化並將功率遞送最大化。可基於功率遞送或阻抗匹配條件來針對一個或所有狀態、子狀態及頻格來更新頻率或功率值。未來狀態係輸出調整後的頻率及功率值，其為根據先前的頻率或功率值的結果決定的。亦即，響應於bx1 n 、bx2 n 、、、bxn n 值的應用，其中n是時間間隔，頻格bx1 n+1 、bx2 n+1 、、、bxn n+1 的數值可根據電性參數的測量來決定。此外，頻格bx1 n+1 、bx2 n+1 、、、bxn n+1 的更新可基於一個或多個先前的系統對n、n-1、、、n-m間隔的反應。因此，射頻產生器的參數的預設係允許自適應的前饋控制，從而減輕對控制環路帶寬的問題。
圖29係為頻率與時間的繪圖，且包含多個繪示射頻產生器操作的波形，其中一個狀態或子狀態具有四個頻格b1 、b2 、b3 、b4 ，分別也稱為頻格1、頻格2、頻格3及頻格4。曲線252係表示相應的波形254、256及258。圖29的每個頻格係包含五個頻率設定或數值，其對應於頻格內及對應脈衝內的特定時間的頻率設定或射頻值。
波形254表示在頻格內，頻率係根據方程式
Figure 02_image009
保持恆定，其中n表示相應的頻格。例如，
Figure 02_image011
表示頻格b1 的恆定頻率
Figure 02_image013
。因此，波形254為每個頻格bn 界定恆定頻率，且恆定頻率可在頻格之間變化。波形256係表示每個頻格內的複數個頻率，且每個頻格內的頻率呈線性變化，且與每個頻格相關聯的各條線段的參數可在頻格之間變化。描述頻率選擇的方程式可理解為
Figure 02_image015
，其中n表示特定的頻格，且t 是時間。因此，每個頻格係具有分別根據
Figure 02_image017
及
Figure 02_image019
界定的偏移頻率及斜率。波形258係表示具有任何特定頻格的頻率根據
Figure 02_image021
在脈衝之間變化。因此，波形258的頻率設定係取決於特定頻格n ，且根據為每個相應頻格界定的功能而改變。
圖30係繪示時間與頻率的多個繪圖的曲線圖270。沿橫軸的時間係與狀態、子狀態或頻格的位置有關。縱軸係表示頻率，從而時間與頻率的繪圖表示為改善阻抗匹配而選擇的頻率設定點。在各種實施例中，每個頻格的頻率設定點可根據經驗單獨決定，也可結合迭代過程決定。波形272係表示配置以輸出50W的射頻產生器的一組頻率。波形274係為配置以輸出100W的射頻產生器的時間與頻率的繪圖。波形276係為配置以輸出300W的射頻產生器的時間與頻率的繪圖。波形278係為配置以輸出600W的射頻產生器的時間與頻率的繪圖。相似地，波形280係為配以輸出1,200W的射頻產生器的頻率與時間的繪圖。在各種實施例中，縱軸可表示操作中心頻率的大約10+/- 5％。
圖31係繪示時間樣本索引與反射係數平方也稱為反射率的繪圖，且表示調諧頻率以獲得最佳阻抗匹配的軌跡。在圖31的迭代學習方法中，將諸如狀態124a的突發狀態劃分為四個(n＝4)個子區段或頻格，且為每個頻格獲取預定數量的時間樣本。在每個頻格內，頻率係呈線性變化。在一種方法中，迭代學習模型係調整每個頻格中的線段的斜率及偏移量，以使反射係數最小化，從而使輸出功率最大化。圖31的曲線292、294、296、298及300的每一個係表示相應的脈衝數。亦即，在各種實施例中，波形292、294、296、298、300係表示相應的1、10、20、25及30個脈衝。
圖32係根據各個實施例配置的實例控制模組的功能方塊圖。在圖32中，圖26的相似元件符號將在圖32中使用。因此，圖32的控制模組210’與圖26相似地配置，且上述同樣適用於此。圖32還包含頻格更新模組228，其配置以針對上述每個狀態、子狀態或頻格bx 更新頻率值或其它電性參數。
圖33係表示對圖1的功率遞送系統執行阻抗控制的控制系統240的流程圖。圖32的配置類似於圖27，且相似的元件符號將用於表示相似的功能。在圖33的描述中將不再重複此類似的功能。流量控制系統240'的配置係與圖27類似，且包含頻格更新部分260。頻格更新部分260係包含決定頻格bx 的阻抗匹配的方塊262。一旦決定了與頻格bx 對應的阻抗匹配，則方塊264決定對於特定的頻格bx 的阻抗匹配是否有所改善。若阻抗匹配獲得改善，則方塊260更新頻格bx 的頻率，使得控制系統240的未來迭代可使用更新的頻率。返回至方塊264，若匹配沒有獲得改善，則更新不會發生，如方塊268所示。
以上描述僅是說明性的，並非意指限制本發明、其應用或使用。本發明的廣泛教示可以各種形式來實施。因此，儘管本發明包含特定實例，但是本發明的真實範圍應不如此限制，因為關於研究所附圖式、說明書及所附申請專利範圍的其它修改將變得顯而易見。應理解方法內的一個或多個步驟能以不同的順序(或同時)執行，而不改變本發明的原理。進一步，儘管以上將每一個實施例描述為具有某些特徵，但是關於本發明的任何實施例描述的那些特徵中的任何一個或多個，可以在任何其它實施例的特徵中實現及/或與其組合，即使沒有明確描述該組合。換言之，所描述的實施例不是相互排斥的，並且一個或多個實施例彼此的配置仍然在本發明的範圍內。
元件之間的空間及功能關係(例如在模組、電路元件、半導體層等之間)使用各種的用語來描述，包含｢連接｣、｢接合｣、｢耦合｣、｢相鄰｣、｢旁邊｣、｢在...之上｣、｢上方｣、｢下方｣以及｢設置｣。除非明確描述為｢直接｣，當在以上揭露中描述在第一元件及第二元件之間的關係時，該關係可以是直接關係，其中第一元件及第二元件之間不存在其它中間元件，但也可以是間接關係，其中在第一元件及第二元件之間存在(任一的空間或功能上)一個或多個中間元件。如本文中所使用，片語｢A、B及C中的至少一個｣應被解釋為表示｢A OR B OR C｣邏輯，其使用非排他性邏輯｢OR｣，並且不應被解釋為表示｢A中的至少一個、B中的至少一個、以及C中的至少一個｣。
在圖中，如箭頭所示，箭頭的方向通常說明對圖式感興趣的訊息的連貫性(諸如數據或指令)。例如，當元件A及元件B交換各種訊息時，但是從元件A傳送到元件B的訊息與圖式相關，箭頭能從元件A指向元件B。該單向箭頭並不意味著沒有其它訊息從元件B傳送到元件A。進一步地，對於從元件A發送到元件B的訊息，元件B能向元件A發送對訊息的請求或接收確認。
在本案中，包含以下定義，用語｢模組｣或用語｢控制器｣能用用語｢電路｣來替換。用語｢模組｣能指一部分的或包含：特殊應用積體電路(ASIC)；數位的、類比的或混合數位/類比的離散電路；數位的、類比的或混合數位/類比的集成電路；結合的邏輯電路；現場可程式化邏輯閘陣列(FPGA)；執行編碼的處理器電路(共享、專用或群組)；記憶體電路(共享、專用或群組)，其儲存由處理器電路執行的編碼；提供所述功能的其它適合的硬體部件；或以上部分或全部的組合，諸如在系統單晶片中。
本案的模組能包含一個或多個介面電路。在一些實例中，介面電路能包含有線或無線的介面，其連接到區域網路(LAN)、網路、廣域網路(WAN)或其組合。本發明之任何給定模組的功能可以分佈在經由介面電路連接的多個模組之間。例如，多個模組能允許負載平衡。在進一步的實例中，伺服器(也稱為遠端或雲端)模組能代表客戶模組完成一些功能。
如上述所使用的，用語程式碼能包含軟體、韌體及/或微程式碼，並且涉及程式、程序、函數、類別、資料結構及/或物件。共享處理器電路包含單個處理器電路，其執行來自多個模組的一些或所有程式碼。組合處理器電路包含處理器電路，該處理器電路與附加的處理器電路組合，執行來自一個或多個模組的一些或所有的程式碼。對多個處理器電路的引用包含分立晶片上的多個處理器電路、單個晶片上的多個處理器電路、單個處理器電路的多個核心、單個處理器電路的多個線或以上的組合。共享記憶體電路包含單個記憶體電路，其儲存來自多個模組的一些或所有的程式碼。用語組合記憶體電路包含記憶體電路，該記憶體電路與附加的記憶體組合以存儲來自一個或多個模組的一些或所有的程式碼。
用語記憶體電路是電腦可讀取媒體的子集。如本文中所使用，電腦可讀取媒體不包含透過媒體(諸如在載波上)傳播的過渡電氣或電磁訊號；電腦可讀取媒體因此能被視為有形性及非暫態性的。非暫態性、有形性之電腦可讀取媒體的非限制性的實例是非揮發性記憶體電路(諸如快閃記憶體電路、可擦除可規劃式唯讀記憶體電路或遮罩唯讀記憶體電路)、揮發性記憶體電路(諸如靜態隨機存取記憶體電路或動態隨機存取記憶體電路)、磁儲存媒體(諸如類比或數位的磁帶或硬式磁碟機)以及光儲存媒體(諸如光碟片、影音光碟或藍光光碟)。
在本申請案中，描述為具有特定屬性或執行特定操作的設備單元係具體配置為具有那些特定屬性並執行那些特定操作。特別是，執行動作的元件的描述係指該元件配置以執行該動作。元件的配置可包含對該元件的程序編製，諸如藉由在與該元件相關的非暫態性有形電腦可讀媒體上撰寫指令。
本案中描述的裝置及方法能部分地或全部地藉由專用的電腦來實現，該電腦藉由配置一般用途的電腦來創建，以執行電腦程式中包含一個或多個特定功能。以上描述作為軟體規格的功能方塊、流程圖方塊及其它元件，其可以藉由熟練的技術人員或程式設計師的日常工作將該軟體規格轉譯成電腦程式。
電腦程式包含處理器可執行指令，其存儲在至少一個非暫態性、有形性的電腦可讀取媒體上。電腦程式還能包含或依賴儲存的數據。電腦程式能包含與專用電腦的硬體交互作用的基本輸入/輸出系統(BIOS)、與專用電腦的特定設備交互作用的裝置驅動器、一個或多個操作系統、使用者應用、背景服務、背景應用等。
電腦程式能包含：(i)說明文字的分析，諸如HTML(超文件標示語言)、XML(可延伸標示語言)或JSON(JavaScript對象表示法)、(ii)組合碼、(iii)藉由編譯器從源編碼產生的目標碼、(iv)藉由譯碼器執行的原始碼、(v)藉由即時編譯器編譯及執行的原始碼等。僅作為實例，能使用來自包含C、C++、C#、Objective C、Swift、Haskell、Go、SQL、R、Lisp、Java® 、Fortran、Perl、Pascal、Curl、OCaml、Javascript® 、HTML5(超文件標記語言第五修正本)、Ada、ASP (主動伺服器頁)、PHP (PHP: 超文字前處理器)、Scala、Eiffel、Smalltalk、Erlang、Ruby、Flash® 、Visual Basic® 、Lua、MATLAB、SIMULINK以及Python® 之語言的語法(syntax)來撰寫。
10:電源供應系統 102:功率突發 110:史密斯圖 120:脈衝波形 122、122’:ON區域 123:OFF區域 124、126:狀態 124a’、124b’、126’、126a’、126b’:子狀態 12a、12b:射頻功率產生器 130、150、152、154、156、186a、188a、190a、186b、188b、190b、186c、188c、190c、186d、188d、190d、186e、188e、190e、186f、188f、190f、186g、188g、190g、186h、188h、190h、254、256、258、272、276、278、280、50、52、54、74、76、78、90、92、94:波形 136、252:曲線 14a、14b:射頻功率源 154’:電壓 156’:電流 16a、16b:感測器 176:方框 180a、180b、180c、180d、180e、180f、180g、180h、182a、182b、182c、182d、182e、182f、182g、182h:視圖 184a、184b、184c、184d、184e、184f、184g、184h:帶括號部分 18a、18b:匹配網路 20’、20a、20b:控制器 200g、200h:圓圈 210、210’:控制模組 212:功率產生控制模組部分 214:阻抗匹配模組部分 216:功率調諧模組部分 218:脈衝控制模組 21a、21b、30、30’:控制訊號 220:射頻頻率控制模組 222:射頻振幅模組 224:頻率調諧模組 226:匹配網路模組 22a、22b:射頻功率訊號 230:PID回復模組 232:伽瑪遮沒模組 234:功率提升模組 240、240’:控制系統 242、244、246、248、250、260、262、264、266、268:方塊 24a、26a、24b、26b:訊號 270:曲線圖 28a、28b:反饋控制訊號 32:負載 34:同步偵測器 36、38:鏈結 40:射頻訊號 42、128:脈衝 44、46、51、53:區域 58、96:正向功率 60、64、98、152’:反向功率 62、100:輸出功率 66、70、72、75、77、80、132、138、140、142`、160、161、162、160’、161’、162’:位置 ba1 、ba2 、ban 、bb1 、bb2 、bbn 、b1 、b2 、b3 、b4 :頻格 f1 、f2 :頻率
圖1係為根據本揭露配置的用於多個電源供應器的功率遞送系統的示意性方塊圖； 圖2係為射頻訊號及調變射頻訊號的脈衝的波形； 圖3係為習知配置的功率遞送系統的脈衝、正向電壓及反向電壓與時間的繪圖； 圖4係為對應於圖3的波形的正向功率、反向功率及輸出功率對時間的繪圖； 圖5係為在產生器輸出處的脈衝期間的阻抗的鞘層形成軌跡的史密斯圖； 圖6係為對應於圖5的史密斯圖的正向功率、反向功率及輸出功率對時間的繪圖； 圖7係為在突發模式(burst mode)下操作的習知配置的功率遞送系統的脈衝、正向電壓及反向電壓與時間的繪圖； 圖8係為對應於圖7的波形的正向功率、反向功率及輸出功率對時間的繪圖； 圖9係為當在史密斯圖的不同相位附近在突發模式下操作時射頻產生器輸出的正向功率的史密斯圖； 圖10係為根據本揭露的脈衝ON時間被劃分為數個狀態以界定操作模式的脈衝； 圖11係為根據本揭露原理的電壓駐波比與頻率的繪圖； 圖12係為根據本揭露原理的阻抗相對於頻率的史密斯圖； 圖13係為習知配置的功率遞送系統的正向電壓、反向電壓及射頻產生器的輸出電壓與時間的繪圖； 圖14係為根據本揭露原理操作的功率遞送系統的正向電壓、反向電壓及射頻產生器的輸出電壓對時間的繪圖； 圖15係為根據本揭露原理操作的功率遞送系統的穩定性圖； 圖16係為按習知操作時，由射頻產生器輸出的正向功率、反向功率及電壓的繪圖； 圖17係為根據本揭露原理在操作時，由射頻產生器輸出的正向功率、反向功率及電壓的射頻功率產生器的繪圖； 圖18係為當根據本揭露原理進行包含施加伽瑪遮沒(gamma blanking)的操作時，由射頻產生器輸出的正向功率、反向功率及電壓的繪圖； 圖19係為當根據本揭露原理包含施加PID回復的操作時，由射頻產生器輸出的正向功率、反向功率及電壓的繪圖； 圖20係為當根據本揭露原理包含施加伽瑪遮沒及PID回復的操作時，由射頻產生器輸出的正向功率、反向功率及電壓的繪圖； 圖21係為根據本揭露原理包含將基於頻率的阻抗調諧施加至兩個不同的、依序的啟動頻率的操作時，由射頻產生器輸出的正向功率、反向功率及電壓的繪圖； 圖22係為根據本揭露原理當在第一功率設定點下，包含將基於頻率的阻抗調諧施加至兩個不同的、依序的啟動頻率、PID回復、伽瑪遮沒以及不同頻率之間的功率提升的操作時，由射頻產生器輸出的正向功率、反向功率及電壓的繪圖； 圖23係為根據本揭露原理當在第二功率設定點下，包含將基於頻率的阻抗調諧施加至兩個不同的、依序的啟動頻率、PID回復、伽瑪遮沒以及不同頻率之間的功率提升的操作時，由射頻產生器輸出的正向功率、反向功率及電壓的繪圖； 圖24係為根據本揭露原理配置的功率遞送系統在從脈衝啟動到穩態的負載下測量的阻抗軌跡的史密斯圖； 圖25係為根據本揭露原理配置的功率遞送系統在從脈衝啟動到穩態的負載下測量的阻抗軌跡的史密斯圖； 圖26係繪示根據各種實施例配置的實例控制模組的功能方塊圖； 圖27係繪示根據本揭露原理配置的控制系統的操作流程圖； 圖28係繪示根據本揭露的脈衝ON週期被劃分為數個狀態以界定操作模式的脈衝的展開圖； 圖29係繪示根據各種實施例的使用頻格(bins)的實施方式的頻率與時間的波形； 圖30係繪示在脈衝的突發狀態下時間與頻率的波形； 圖31係繪示用於更新脈衝的突發狀態的各個頻格的頻率的波形； 圖32係繪示根據各種實施例配置的示例性控制模組的功能方塊圖；以及 圖33係繪示根據本揭露原理配置的控制系統的操作流程圖。 在所附圖式中，參考符號可重複使用以標識相似及/或相同的元件。
10:電源供應系統
12a、12b:射頻功率產生器
14a、14b:射頻功率源
16a、16b:感測器
18a、18b:匹配網路
20’、20a、20b:控制器
21a、21b、30、30’:控制訊號
22a、22b:射頻功率訊號
24a、26a、24b、26b:訊號
28a、28b:反饋控制訊號
32:負載
34:同步偵測器
36、38:鏈結
f1、f2:頻率

Claims (39)

  1. 一種射頻產生器，其包含： 一射頻功率源，其產生一輸出訊號，該輸出訊號係包含由一脈衝調變的一射頻訊號，該脈衝根據要傳遞至一負載的功率而變化；以及 一控制器，其配置以控制該脈衝以包含複數個狀態，其中 在一第一狀態下，該控制器係配置以控制該射頻產生器以一第一功率值輸出該射頻訊號，且將該射頻訊號的頻率控制為一第一頻率，以改變該射頻產生器與該負載之間的阻抗；且 在一第二狀態下，該控制器係在以下模式中的至少一種下進一步配置以： (a)控制該射頻產生器以一第二功率值輸出該射頻訊號，且控制該射頻訊號的頻率，而不考慮該射頻產生器與該負載之間的阻抗；其中該第一功率值係為一突發功率，該第二功率值係為一工作功率； (b)控制該射頻產生器以該第二功率值輸出該射頻訊號，且控制該射頻訊號的頻率，以改變該射頻產生器與該負載之間的阻抗；其中該第一功率值係為該突發功率，該第二功率值係為該工作功率； (c)控制該射頻產生器以該第二功率值輸出該射頻訊號，且控制該射頻訊號的頻率，而不考慮該射頻產生器與該負載之間的阻抗，其中該第一功率值超過該第二功率值；或 (d)控制該射頻產生器以該第二功率值輸出該射頻訊號，且控制該射頻訊號的頻率，以改變該射頻產生器與該負載之間的阻抗；其中該第一功率值係超過該第二功率值。
  2. 如請求項1所述之射頻產生器，其中在模式(b)及模式(d)中，該射頻訊號的頻率係根據該射頻產生器與該負載之間的阻抗在頻率範圍內變化。
  3. 如請求項1所述之射頻產生器，其中在模式(a)及模式(b)中，該第一功率值係超過該脈衝的邊界，且該第二功率值係受該脈衝限制。
  4. 如請求項1所述之射頻產生器，其中該第一狀態及該第二狀態係相對於該脈衝的起始而發生，且該第一狀態係在該脈衝的起始而發生以及該第二狀態係在該第一狀態完成之後而發生。
  5. 如請求項1所述之射頻產生器，其中該控制器係進一步配置以輸出訊號以啟動該射頻產生器與該負載之間的一匹配網路的運作。
  6. 如請求項1所述之射頻產生器，其中在模式(a)及模式(c)中，該控制器係進一步配置以在輸出該第一功率值時施加伽瑪遮沒。
  7. 如請求項1所述之射頻產生器，其中該第一狀態係包含複數個頻格，且該控制器係根據與該複數個頻格中的每一個相關聯的一選定頻率，配置以控制該複數個頻格中的每一個的該射頻產生器以輸出該第一頻率，其中與該複數個頻格中的每一個相關聯的該選定頻率係相對於該複數個頻格中的至少一對而變化。
  8. 如請求項7所述之射頻產生器，其中該控制器係根據與該複數個頻格中的每一個相關聯的一選定功率值，配置以控制該複數個頻格中的每一個的該射頻產生器以輸出該第一功率值，其中與該複數個頻格中的每一個相關聯的該選定功率值係相對於該複數個頻格中的至少一對而變化。
  9. 如請求項7所述之射頻產生器，其中根據該射頻產生器與該負載之間的阻抗匹配及至少一個先前脈衝傳遞至該負載的功率中的至少一個，更新與下一個脈衝的該複數個頻格中的每一個相關聯的該選定頻率。
  10. 如請求項7所述之射頻產生器，其中根據在該複數個頻格中的每一個內線性地改變頻率，並調整定義頻率變化的線段的斜率及偏移量，更新與下一個脈衝的該複數個頻格中的每一個相關聯的該選定頻率，以使該射頻產生器與該負載之間的阻抗最小化。
  11. 如請求項1所述之射頻產生器，其中該控制器係進一步配置以控制該脈衝以包含一第三狀態，其中該控制器配置以控制該射頻產生器以一第三功率值輸出該射頻訊號並將該射頻訊號的頻率控制為一第二頻率，其中該第三功率值中的至少一個不等於該第一功率值或該第二功率值的其中一個，且該第二頻率不等於該第一頻率。
  12. 一種射頻產生器系統，其包含： 一射頻功率源，其產生一輸出訊號，該輸出訊號包含由一脈衝調變的一射頻訊號，該射頻訊號根據要傳遞至一負載的功率而變化，其中該脈衝包含複數個狀態；以及 一控制器，其配置以控制該射頻產生器，其中 在包含複數個頻格的一第一狀態下，該控制器係配置以(a)控制該射頻產生器在該複數個頻格中的每一個內輸出複數個頻率，且該控制器配置以控制該射頻產生器以至少一第一功率值輸出該射頻訊號；且 在一第二狀態下，該控制器係進一步配置以在模式(a)中控制該射頻產生器以一第二功率值輸出該射頻訊號。
  13. 如請求項12所述之射頻產生器系統，其中該至少一第一功率值及該第二功率值係受該脈衝限制。
  14. 如請求項12所述之射頻產生器系統，其中該至少一第一功率值係為一突發功率，該第二功率值係為一工作功率，且該突發功率超過該脈衝的邊界，且該第二功率值受該脈衝限制。
  15. 如請求項12所述之射頻產生器系統，其中在該第二狀態下，該控制器係在以下模式中的至少一種下進一步配置以： (a)進一步控制該射頻產生器以將該複數個頻格中的每一個內的複數個頻率輸出為複數個預選頻率； (b)控制該射頻產生器以該第二功率值輸出該射頻訊號，並控制與該複數個頻格中的每一個相關聯的相應頻率，以改變該射頻產生器與該負載之間的阻抗，其中該第一功率值係為一突發功率，且該第二功率值係為一工作功率； (c)控制該射頻產生器以將該複數個頻格中的每一個內的複數個頻率輸出為複數個預選頻率，其中該第一功率值超過該第二功率值；或 (d)控制該射頻產生器以該第二功率值輸出該射頻訊號，並控制與該複數個頻格中的每一個相關聯的相應頻率，以改變該射頻產生器與該負載之間的阻抗，其中該第一功率值係超過該第二功率值。
  16. 如請求項15所述之射頻產生器系統，其中在模式(c)及模式(d)中，該至少一第一功率值及該第二功率值係受該脈衝限制。
  17. 如請求項15所述之射頻產生器系統，其中在模式(a)及模式(b)中，該至少一第一功率值係超過該脈衝的邊界，且該第二功率值係受該脈衝限制。
  18. 如請求項15所述之射頻產生器系統，其中在模式(a)及模式(c)中，該控制器係進一步配置以在輸出該至少一第一功率值時施加伽瑪遮沒。
  19. 如請求項15所述之射頻產生器系統，其中在模式(b)及模式(d)中，在該複數個頻格中的每一個內的該複數個頻率係根據該射頻產生器與該負載之間的阻抗在每個相應頻率的範圍內變化。
  20. 如請求項12所述之射頻產生器系統，其中該第一狀態及該第二狀態係相對於該脈衝的起始而發生，且該第一狀態係在該脈衝的起始而發生，以及該第二狀態係在該第一狀態完成之後而發生。
  21. 如請求項12所述之射頻產生器系統，其中該控制器係進一步配置以輸出訊號以啟動該射頻產生器與該負載之間的一匹配網路的運作。
  22. 如請求項12所述之射頻產生器系統，其中該控制器係配置以控制該射頻產生器在該複數個頻格中的每一個內輸出複數個功率值，其中該複數個功率值係相對於該複數個頻格中的至少一對而變化。
  23. 如請求項12所述之射頻產生器系統，其中根據該射頻產生器與該負載之間的阻抗及至少一個先前脈衝傳遞至該負載的功率中的至少一個，更新下一個脈衝的該複數個頻格中的每一個內的該複數個頻率。
  24. 如請求項12所述之射頻產生器系統，其中根據在該複數個頻格中的每一個內線性地改變頻率，並調整定義頻率變化的線段的斜率及偏移量，更新下一個脈衝的該複數個頻格中的每一個內的該複數個頻率。
  25. 如請求項12所述之射頻產生器系統，其中該控制器係進一步配置以控制該脈衝以包含一第三狀態，其中該控制器配置以控制該射頻產生器以一第三功率值輸出該射頻訊號並將該射頻訊號的頻率控制為一第二頻率，其中該第三功率值中的至少一個不等於該第一功率值或該第二功率值的其中一個，且該第二頻率不等於與該複數個頻格中的每一個頻格相關聯的相應頻率。
  26. 一種配置以控制由射頻功率源輸出的脈衝之控制器，其中該射頻功率源產生一輸出訊號，該輸出訊號包含由一脈衝調變的一射頻訊號，該脈衝根據要傳遞至一負載的功率而變化，其中 在一第一狀態下，該控制器係配置以控制一射頻產生器以一第一功率值輸出該射頻訊號，且將該射頻訊號的頻率控制為一第一頻率，以改變該射頻產生器與該負載之間的阻抗；且 在一第二狀態下，該控制器係在模式(a)中進一步配置以控制該射頻產生器以一第二功率值輸出該射頻訊號，且控制該射頻訊號的頻率，而不考慮該射頻產生器與該負載之間的阻抗，其中該第一功率值係為一突發功率，該第二功率值係為一工作功率。
  27. 如請求項26所述之控制器，在模式(a)或以下模式之一下，其進一步配置以： (b)控制該射頻產生器以該第二功率值輸出該射頻訊號，並控制該射頻訊號的該第一頻率以改變該射頻產生器與該負載之間的阻抗，其中該第一功率值係為該突發功率，且該第二功率值係為該工作功率； (c)控制該射頻產生器以該第二功率值輸出該射頻訊號，並控制該射頻訊號的該第一頻率，而不考慮該射頻產生器與該負載之間的阻抗，其中該第一功率值係超過該第二功率值；或 (d)控制該射頻產生器以該第二功率值輸出該射頻訊號，並控制該射頻訊號的該第一頻率，以改變該射頻產生器與該負載之間的阻抗，其中該第一功率值係超過該第二功率值。
  28. 如請求項27所述之控制器，其中在模式(b)及模式(d)中，該射頻訊號的頻率係根據該射頻產生器與該負載之間的阻抗在該第一頻率範圍內變化。
  29. 如請求項27所述之控制器，其中在模式(a)及模式(b)中，該第一功率值係超過該脈衝的邊界，且該第二功率值係受該脈衝限制。
  30. 如請求項27所述之控制器，其中該第一狀態及該第二狀態係相對於該脈衝的起始而發生，且該第一狀態係在該脈衝的起始而發生，以及該第二狀態係在該第一狀態完成之後而發生。
  31. 如請求項26所述之控制器，其中該第一狀態係包含複數個頻格，且該控制器係根據與該複數個頻格中的每一個相關聯的一選定頻率，配置以控制該複數個頻格中的每一個的該射頻產生器以輸出該第一頻率，其中與該複數個頻格中的每一個相關聯的該選定頻率係相對於該複數個頻格中的至少一對而變化。
  32. 如請求項31所述之控制器，其中該控制器係根據與該複數個頻格中的每一個相關聯的一選定功率值，配置以控制該複數個頻格中的每一個的該射頻產生器以輸出該第一功率值，其中與該複數個頻格中的每一個相關聯的該選定功率值係相對於該複數個頻格中的至少一對而變化。
  33. 如請求項32所述之控制器，其中根據該射頻產生器與該負載之間的阻抗匹配及至少一個先前脈衝傳遞至該負載的功率中的至少一個，更新與下一個脈衝的該複數個頻格中的每一個相關聯的該選定頻率。
  34. 一種控制功率遞送至負載的方法，其包含： 控制一射頻產生器以產生由一脈衝調變的一射頻訊號，以改變傳遞至該負載的功率； 在一第一狀態下，控制該射頻產生器以一第一頻率的一第一功率值輸出該射頻訊號，以改變該射頻產生器與該負載之間的阻抗；且 在一第二狀態下，在模式(a)中控制以一第二功率值輸出該射頻訊號，且控制該射頻訊號的頻率，而不考慮該射頻產生器與該負載之間的阻抗，其中該第一功率值係為一突發功率，該第二功率值係為一工作功率。
  35. 如請求項34所述之方法，其中在該第二狀態下，控制為模式(a)或以下模式之一： (b)以該第二功率值輸出該射頻訊號，並控制該射頻訊號的頻率以改變該射頻產生器與該負載之間的阻抗，其中該第一功率值係為該突發功率，且該第二功率值係為該工作功率； (c)以該第二功率值輸出該射頻訊號，並控制該射頻訊號的頻率，而不考慮該射頻產生器與該負載之間的阻抗，其中該第一功率值係超過該第二功率值；或 (d)以該第二功率值輸出該射頻訊號，並控制該射頻訊號的頻率，以改變該射頻產生器與該負載之間的阻抗，其中該第一功率值係超過該第二功率值。
  36. 如請求項35所述之方法，其中該第一狀態及該第二狀態係相對於該脈衝的起始發生，且該第一狀態係在該脈衝的起始發生以及該第二狀態係在該第一狀態完成之後發生。
  37. 如請求項34所述之方法，其中該第一狀態係包含複數個頻格，且一控制器係根據與該複數個頻格中的每一個相關聯的一選定頻率，配置以控制該複數個頻格中的每一個的該射頻產生器以輸出該第一頻率，其中與該複數個頻格中的每一個相關聯的該選定頻率係相對於該複數個頻格中的至少一對而變化。
  38. 如請求項37所述之方法，其中該控制器係根據與該複數個頻格中的每一個相關聯的一選定功率值，配置以控制該複數個頻格中的每一個的該射頻產生器以輸出該第一功率值，其中與該複數個頻格中的每一個相關聯的該選定功率值係相對於該複數個頻格中的至少一對而變化。
  39. 如請求項38所述之方法，其中根據該射頻產生器與該負載之間的阻抗匹配及至少一個先前脈衝傳遞至該負載的功率中的至少一個，更新與下一個脈衝的該複數個頻格中的每一個相關聯的該選定頻率。
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